《计算机组成原理》课程教学资源（PPT课件）第七章 存储系统

第七章存储系统

第七章 存储系统

存储器追求的目标尽可能快的读写速度尽可能大的存储容量尽可能低的成本费用只用一种存储器无法同时满足上述需求

存储器追求的目标 尽可能快的读写速度 尽可能大的存储容量 尽可能低的成本费用 只用一种存储器无法同时满足上述 需求

层次存储系统选用生产与运行成本不同、存储容量不同，读写速度不同多种类型的存储器，组成一个统一管理的层次存储系统，以实现对存储器大容量，高速度和低价格的要求。把要用到的程序和数据，按其使用的急迫和频繁程度，分别存入存储容量不同、运行速度不同的存储器中，并由硬软件来统一管理与调度，使每种介质都处于不同的地位，起到不同的作用，充分发挥各自在速度、容量和成本方面的优势从而达到最优性能价格比，以满足使用要求

层次存储系统 选用生产与运行成本不同、存储容量不同、 读写速度不同多种类型的存储器，组成一个统一 管理的层次存储系统，以实现对存储器大容量、 高速度和低价格的要求。 把要用到的程序和数据，按其使用的急迫和 频繁程度，分别存入存储容量不同、运行速度不 同的存储器中，并由硬软件来统一管理与调度。 使每种介质都处于不同的地位，起到不同的作用， 充分发挥各自在速度、容量和成本方面的优势， 从而达到最优性能价格比，以满足使用要求

7.1存储系统的层次结构动画\存储系统分级.swf，衡量存储器有三个指标：容量、速度和价格/位，早期计算机主存容量很小，由程序员安排程序和数据从辅存到主存的调入。。操作系统的出现使主存、辅存形成了一个整体，主存辅存层次虚拟存储系统：允许程序员按虚存地址（虚地址虚拟地址、逻辑地址）编程序。对应存储容量称为虚存容量（空间）。实际的主存地址称为物理地址、实存地址。对应存储容量称为主存容量、实存容量或实存空间。主存-辅存层次满足了存储器的大容量和低成本的需求

7.1 存储系统的层次结构 • 衡量存储器有三个指标:容量、速度和价格/位。 • 早期计算机主存容量很小，由程序员安排程序和数 据从辅存到主存的调入。 • 操作系统的出现使主存、辅存形成了一个整体， 主存-辅存层次。 • 虚拟存储系统：允许程序员按虚存地址（虚地址、 虚拟地址、逻辑地址）编程序。对应存储容量称为 虚存容量（空间）。 • 实际的主存地址称为物理地址、实存地址。对应存 储容量称为主存容量、实存容量或实存空间。 主存-辅存层次满足了存储器的大容量和低成本的需求. 动画\存储系统分级.swf

·高速缓存-主存层次为解决主存CPU之间的速度差异，在CPU和主CPU存之间设置Cache.现代计算机的典型存CACHE储结构：cache-主存-辅存主存（内存）辅存 (外存)

CPU CACHE 主存（内存） 辅存（外存） • 高速缓存-主存层次 为解决主存CPU之间的 速度差异，在CPU和主 存之间设置Cache. 现代计算机的典型存 储结构： cache-主存-辅存

：7.2高速缓冲存储器(cache1.主存和高速缓存之间的关系Cache引入：·为解决CPU和主存之间的速度差距，提高整机的运算速度，在CPU和主存之间插入的由高速电子器件组成的容量不大，但速度很快的存储器Cache特点·存取速度快，容量小，存储控制和管理由硬件实现

1.主存和高速缓存之间的关系 Cache引入: • 为解决CPU和主存之间的速度差距,提高整机的运 算速度,在CPU和主存之间插入的由高速电子器件 组成的容量不大,但速度很快的存储器。 Cache特点 • 存取速度快，容量小，存储控制和管理由硬件实 现 • 7.2 高速缓冲存储器(cache)

2.主存与辅存之间的关系主存：（半导体存储器组成）·优：速度快·缺：容量受限，单位成本高，断电丢失信息。辅存：（光盘，磁盘）·优：容量大，信息长久保存，单位成本低·缺：存取速度慢CPU正在运行的程序和数据存放在主存暂时不用的程序和数据存放在辅存。辅存只与主存进行数据交换

2.主存与辅存之间的关系 主存:(半导体存储器组成) • 优:速度快 • 缺:容量受限,单位成本高, 断电丢失信息。 辅存:(光盘,磁盘) • 优:容量大,信息长久保存,单位成本低. • 缺:存取速度慢 CPU正在运行的程序和数据存放在主存暂时不用的程序和 数据存放在辅存。 辅存只与主存进行数据交换

3.三级结构的存储器系统的运行原理（局部性原理）（1）时间方面：在一小段时间内，最近被访问过的程序和数据很可能再次被访问。（2）空间方面：这些最近被访问过的程序和数据，往往集中在一小片存储区域中。（3）指令顺序执行方面：指令顺序执行比转移执行的可能性要大（大约为5：1）

3. 三级结构的存储器系统的运行原理（局部性原理） （1）时间方面：在一小段时间内，最近被访问过的程 序和数据很可能再次被访问。 （2）空间方面：这些最近被访问过的程序和数据，往 往集中在一小片存储区域中。 （3）指令顺序执行方面：指令顺序执行比转移执行的 可能性要大（大约为5：1）

4.三级结构的存储器系统运行的原则(1）一致性原则：同一个信息会同时存放在几个级别的存储器中，此时，这一信息在几个级别的存储器中必须保持相同的值。（2）包含性原则：处在内层（更靠近CPU）存储器中的信息一定被包含在各外层的存储器中，即内层存储器中的全部信息一定是各外层存储器中所存信息中的一下部分的副本。这是保证程序正常运行、实现信息共享、提高系统资源利用率所必需的

4. 三级结构的存储器系统运行的原则 (1) 一致性原则：同一个信息会同时存放在几个级别的存 储器中，此时，这一信息在几个级别的存储器中必须保持 相同的值。 （2）包含性原则：处在内层（更靠近CPU）存储器中的信 息一定被包含在各外层的存储器中，即内层存储器中的全 部信息一定是各外层存储器中所存信息中的一下部分的副 本。这是保证程序正常运行、实现信息共享、提高系统资 源利用率所必需的

1993年大型计算机的存储器系统存储成本存取速度存储容量美分/KB）CPU512B180010ns缓存7220~40ns128KB主存60~100ns5.6512MB业10~20ms虚存60~228GB0.23后援2~20ms512GB~2TB0.01

存取速度 存储容量 存储成本 (美分/KB) CPU 10ns 512B 1800 缓存 20~40ns 128KB 72 主存 60~100ns 512MB 5.6 虚存 10~20ms 60~228GB 0.23 后援 2~20ms 512GB~2TB 0.01 1993年大型计算机的存储器系统